JP3552979B2 - ＡｒＦエキシマレーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線を放出するガスレーザ装置に関し、特に、ＡｒＦエキシマレーザ装置において、レーザ発振パルス幅の長いレーザ動作を行うガスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、次世代の半導体露光用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
【０００３】
ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ２ ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、あるいは、フッ素レーザ装置においては、フッ素（Ｆ２ ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００４】
これらのガスレーザ装置は、発振パルス幅（Ｔｉｓ）が長くても２０ｎｓ程度であるため、出力光のピークパワーが大きく、また、短波長であることから光子エネルギーが高いという特徴がある。そのため、従来の露光用光源である水銀ランプやＫｒＦエキシマレーザ装置より２光子吸収の発生確率が大きく、投影露光装置の光学素子にコンパクション（屈折率上昇）等のダメージが発生し、投影露光装置の性能低下を招くという問題が生じる。ここで、発振パルス幅（Ｔｉｓ）は以下の式で定義される。ただし、Ｐ（ｔ）は時間ｔに依存したレーザ強度である。
【０００５】
Ｔｉｓ＝［∫Ｐ（ｔ）ｄｔ］２ ／∫Ｐ２ （ｔ）ｄｔ
したがって、上記ような問題を回避するために、１パルスのエネルギーを変えずに、発振パルス幅を長く（ロングパルス化）して、出力光のピークパワーを低減することが求められており、例えば、３０ｎｓ以上のパルス幅が求められている。
【０００６】
このようなガスレーザ装置のロングパルス化を実現するための励起回路については、現在まで特別の提案はない。しかしながら、レーザ媒質の異なるエキシマレーザ装置のロングパルス化については、従来いくつかの提案がなされている。
【０００７】
一般に、エキシマレーザ装置においては、主電極間を流れる放電電流は振動電流であり、図８に波形図を示すように、振動電流の最初の１／２周期がレーザ発振に寄与することが知られている（前田三男編「エキシマレーザー」第６４頁（（株）学会出版センター１９８３年８月２０日初版））。
【０００８】
従来の技術は、ロングパルス化のために、上記した最初の１／２周期のパルス幅を広げることを意図している。例えば、特開昭６２−２６８３号においては、図９に示すように、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置の励起回路において、主放電電極の一方にインダクタンスＬａ を付加する例が開示されている。また、「レーザ研究」第１５巻第７号第６３〜７２頁には、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置の励起回路において、ＰＦＮ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ ）回路を適用する例が示されている。
【０００９】
ＡｒＦエキシマレーザ装置やフッ素レーザ装置においても、上記従来の技術を適用すれば、レーザ装置から放出される発振パルスレーザ光のロングパルス化を実現することが可能であると考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
昨今、半導体製造用の露光処理のスループット向上の見地から、露光用エキシマレーザ装置には２ｋＨｚ以上の高繰返し発振動作が要請され始めている。図９に示すように、主放電回路にインダクタンスが付加されている従来の技術においては、このような高繰返し発振動作でロングパルス化を実現しようとすると、レーザ発振効率が極めて悪くなり、実際上実現することは困難である。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高繰返し発振動作のＡｒＦエキシマレーザ装置において、発振パルス幅をロングパルス化することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置は、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とピーキングコンデンサとを有し、前記レーザ放電電極と前記ピーキングコンデンサとが並列に磁気パルス圧縮回路の出力端に接続されたＡｒＦエキシマレーザ装置において、
極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成され、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上で、発振パルス幅３０ｎｓ以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
この場合、その磁気パルス圧縮回路は、第１の磁気スイッチと第１のコンデンサからなる直列回路の両端に第２のコンデンサが接続され、第１の磁気スイッチと第２のコンデンサとの接続点に第２の磁気スイッチの一端が接続され、第２の磁気スイッチの他端と第２のコンデンサの他端とが上記の出力端を構成しており、第２のコンデンサの容量が１２〜１６ｎＦ、上記の出力端間に一対のレーザ放電電極と並列に接続されたレーザ装置のピーキングコンデンサの容量が１０〜１６ｎＦ、ピーキングコンデンサと一対のレーザ放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが５〜８ｎＨ、一対のレーザ放電電極間距離が１５〜２０ｍｍ、レーザチェンバー内のフッ素分圧がレーザガスの全圧の０．１２％未満であるとき、一対のレーザ放電電極間に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が８０ｎｓ以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、一対のレーザ放電電極間にブレークダウンが発生するときの電圧が１８〜２８ｋＶであり、その電圧の立ち上がり時間が４０ｎｓ以上であることが望ましい。
【００１６】
以上のように、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成することにより、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上、発振パルス幅３０ｎｓ以上の高繰返しロングパルス化ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理とその実施例について、図面に基づいて説明する。
【００１８】
本発明者等は、従来とは全く異なったアプローチをとることにより、ＡｒＦエキシマレーザ装置の高繰返しロングパルス化を実現することに成功した。まず、以下にその原理を説明する。
【００１９】
発明者等は、鋭意検討した結果、放電電極間を流れる振動電流の周期を短くし、かつ、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定めることにより、ロングパルス化を実現することが可能であることを見出した。
【００２０】
すなわち、上記したように、従来は、振動電流の最初の１／２周期のみがレーザ発振に寄与すると考えられ、実際、振動電流の最初の１／２周期以降の期間においてはレーザ発振動作を行っていなかったが、図１に波形図を示すように、放電電極間を流れる振動電流の周期を短くし、かつ、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定めることにより（具体的な回路構成、回路定数は後述する。）、振動電流の最初の１／２周期とそれに続く少なくとも１つの１／２周期においても、レーザガスの励起を行わせて、レーザ発振動作を持続させることによりロングパルス化が可能となった。
【００２１】
以下、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置とその励起回路の具体例を示す。
【００２２】
図２はＡｒＦエキシマレーザ装置のレーザ発振方向に垂直な断面図であり、レーザキャビティ１内にレーザガス２（ＡｒガスとＦ２ ガスとＮｅガスの混合ガス）が満たされており、そのレーザガス２を励起するための主放電電極３と４がレーザ発振方向に垂直な方向に対向配置されている。この対向する主放電電極３、４間にガス流２’を形成するように不図示のファンによりレーザガス２が循環されている。一方の主放電電極４に沿って平行にレーザガス２の流れ２’の上流と下流にコロナ予備電離部１０が配置されており、主放電電極３、４間に主放電を起こすパルス電圧が加わる直前にコロナ放電動作をして、紫外線６を主放電電極３、４間のレーザガス２に照射して弱電離させ、主放電電極３、４による励起を促進させる。
【００２３】
この例において、コロナ予備電離部１０は、第１電極１１が高純度アルミナセラミックス等の誘電体物質製の片側開放のチューブ１２内に円柱状電極を挿入して構成され、第２電極１３が矩形の板状体電極から構成され、第２電極１３の板状体はその１つの直線状のエッヂ１３’近傍で屈曲されており、そのエッヂ１３’において第１電極１１の誘電体チューブ１２の外面に平行に線接触している。そして、第２電極１３は、矩形の板状体の少なくともエッヂ１３’以外の部分に複数の開口を設けてなるものである。また、第２電極１３のエッヂ１３’の第１電極１１周辺の誘電体チューブ１２の外面への接触位置は、主放電電極３と４の間のレーザ励起空間を見込むことができる位置に設定されている。
【００２４】
このようなＡｒＦエキシマレーザ装置の主放電電極３と４の間に図３に示すような励起回路により主放電電圧が、また、コロナ予備電離部１０の電極１１と１３の間に予備放電電圧が印加される。
【００２５】
図３の励起回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＬ０は固体スイッチＳＷ保護用のものであり、第１の磁気スイッチＳＬ１と第２の磁気スイッチＳＬ２により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【００２６】
図３に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値に調整され、磁気スイッチＳＬ０、インダクタンスＬ１を介して主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は磁気スイッチＳＬ０の両端にかかるよう移り、固体スイッチＳＷを保護する。磁気スイッチＳＬ０の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＬ０の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ０が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＬ０、固体スイッチＳＷ、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。
【００２７】
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＬ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ１が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
【００２８】
さらにこの後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＬ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
【００２９】
図２の説明から明らかなように、予備電離のためのコロナ放電は、誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チューブ１２の外周面に発生するが、図３のピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖ３が上昇し、Ｖ３が所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線６が発生し、主放電電極３、４間のレーザ媒質であるレーザガス２が予備電離される。
【００３０】
ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖ３が上昇し、この電圧Ｖ３がある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極３、４間のレーザガス２が絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【００３１】
この後、主放電によりピーキングコンデンサＣｐの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
【００３２】
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
【００３３】
ここで、磁気スイッチＳＬ１、ＳＬ２及びコンデンサＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極３、４間に短パルスの強い放電が実現される。
【００３４】
図４に上記のような励起回路のコンデンサＣ１、Ｃ２、ピーキングコンデンサＣｐの位置に生じる電圧波形の一例を示す。図４からパルス幅が順次圧縮されて行く様子が良く分かる。
【００３５】
ところで、半導体露光用の光源としてのＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、露光に必要なレーザ出力エネルギーからそれに必要な放電体積が自ずから決まり、その放電体積から主放電電極３、４間の間隔も１５〜２０ｍｍ程度ある必要がある。また、そのレーザ出力エネルギーはピーキングコンデンサＣｐの容量で決まるので、半導体露光用の光源として必要なピーキングコンデンサＣｐの容量は１０〜１６ｎＦである。
【００３６】
ここで、上記したように、本発明に基づいて、主放電電極３、４間を流れる振動電流の最初の１／２周期以降においても、レーザ発振を持続させるためには、まず、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定める必要がある。電流のピーク値を大きくするには、主放電電極３、４間で放電が開始する電圧（ブレークダウン電圧）Ｖｂが主放電電極３、４間に加えられる電圧の立ち上がりに依存し、立上り時間が高速である場合に放電開始電圧Ｖｂが高くなる（過電圧の発生）ので、その印加電圧を急激に上昇するようにする必要がある。ピーキングコンデンサＣｐに対する第２のコンデンサＣ２の容量が大きければ大きい程その電圧の立ち上がりは急激になり望ましいが、一方で、第２のコンデンサＣ２の容量を大きくすればする程、レーザ装置全体を駆動のために必要なエネルギーが大きくなり、レーザ装置の効率が低下してしまうので、第２のコンデンサＣ２の容量には限界があり、半導体露光用の光源としてのＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、１２〜１６ｎＦに設定される。
【００３７】
また、主放電電極３、４間を流れる振動電流の２番目以降の１／２周期の電流のピーク値を大きくして２番目以降の１／２周期においてもレーザ発振を行わせるには、レーザガス２の電気抵抗を小さくする必要がある。ＡｒＦにおいては、Ａｒ＋Ｆ２ ＋Ｎｅからなる３〜４気圧のレーザガスを用いる場合に、フッ素分圧が小さい程抵抗が小さくなるので、レーザガスの全圧に対するフッ素分圧を０．１２％未満にすることが望ましい。
【００３８】
また、前記のように、主放電電極３、４間を流れる振動電流の最初の１／２周期以降の周期を短くすることが、２番目以降の１／２周期においてもレーザ発振を持続させるため必要な条件である。この周期が長いと、１つの１／２周期の後半において放電の空間的な集中が発生して必要な均一な励起が効率良く行われなくなるからである。２番目以降の１／２周期の周期を決めるパラメータは、図３の励起回路のピーキングコンデンサＣｐと主放電電極３、４が形成するループ（放電電流回路）中の容量と浮遊インダクタンスであり、両者の積のルートがその周期に比例する。したがって、その周期を短くするには、上記放電電流回路の浮遊インダクタンスを可能な限り小さくすればよい。しかし、この浮遊インダクタンスの大きさはレーザキャビティの断面積で決まるから、実際上５〜８ｎＨ程度より小さくできない。
【００３９】
以上のようなパラメータ範囲に選んだ条件下で、放電体積を放電幅５〜８ｍｍ×電極間距離１５〜２０ｍｍ、長さ４５０〜５５０ｍｍとして、ブレークダウン電圧Ｖｂまでの立上り時間に対する出力レーザパルス幅（Ｔｉｓ）と出力エネルギーの関係を調べたところ、図５のような結果が得られた。なお、ブレークダウン電圧Ｖｂまでの立上り時間の定義は、図６に示すように、主放電電極３、４間に印加される電圧Ｖ３の最初の１／２周期の立ち上がり部の最も急峻になる部分を直線近似し、その直線が電圧０の直線と交差する点からブレークダウン電圧Ｖｂに至る点までの時間である。
【００４０】
図５の結果より、立上り時間が４０ｎｓより小さいとレーザ光出力が低下し、所望の出力が得られなかった。また、立上り時間が８０ｎｓより大きい場合、出力するレーザ光パルス幅が減少し、所望のパルス幅を得ることができなかった。
【００４１】
このように、立上り時間が４０ｎｓより小さい場合にレーザ光出力が低下するのは、コロナ予備電離が開始してから主放電が開始するまでの遅延時間が確保できないためと考えられる（コロナ予備電離は、主放電電極３、４間に加わるパルス電圧Ｖ３を分圧して得た電圧をコロナ予備電離部１０に印加することによって行っている。）。すなわち、立上り時間が短すぎ、レーザガスが十分に予備電離されないまま主放電が開始するため、レーザガスの励起が不十分なためにレーザ出力が低下したものと考えられる。
【００４２】
一方、立上り時間が８０ｎｓより大きい場合は立上り時間が長すぎ、ブレークダウン電圧Ｖｂの到達値が小さいために、第２の１／２周期分で発振せず、パルス幅が短くなったと考えられる。
【００４３】
一般に、立上り時間が高速である場合には、放電開始電圧Ｖｂが高くなり（過電圧の発生）、また、レーザ媒質の励起エネルギーである放電入力（１／２×ＣｐＶｂ２ ）が大きくなるので、発振効率が上昇する。立上り時間が８０ｎｓより大きい場合は、放電開始電圧Ｖｂが高くならず、放電が不安定になりやすく、また、放電入力が小さく、発振効率が低くなったため、図１に示す電流波形において、最初の１／２周期以降の期間において最早レーザ発振に寄与できなくなり、そのため発振パルス幅が減少したものと考えられる。
【００４４】
以上の検討において、立上り時間４０ｎｓから８０ｎｓにおいて必要とされる放電開始電圧Ｖｂは１８〜２８ｋＶであった。
【００４５】
なお、上記の立上り時間の調整には、第２のコンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐの容量、第２の磁気スイッチＳＬ２の残留インダクタンス、ピーキングコンデンサＣｐの充電電流回路中の浮遊インダクタンスを調整して実現した。
【００４６】
図７に、一例として、第２のコンデンサＣ２の容量１４ｎＦ、ピーキングコンデンサＣｐの容量１２ｎＦ、放電電流回路の浮遊インダクタンス６ｎＨ、放電電極間距離１８ｍｍ、放電開始電圧２６ｋＶ、フッ素分圧０．０８％、有効放電長５００ｍとした場合の、放電電極間電圧と、放電電極間に流れる電流と、レーザ出力光波形とを示す。
【００４７】
このように、本発明に基づいて、従来とは全く異なる新規な考え方に基づき、以上のような構成をとることにより、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上、パルス幅（Ｔｉｓ）３０ｎｓ以上の高繰返しロングパルス化ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することに成功した。
【００４８】
以上は、ＡｒＦエキシマレーザ装置について説明してきたが、上記の基本原理は、フッ素（Ｆ２ ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスをレーザガスとして、同様に放電励起するフッ素レーザ装置にも適用できることは明らかである。
【００４９】
以上、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置によると、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成することにより、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上、発振パルス幅３０ｎｓ以上の特に半導体露光用光源に適した高繰返しロングパルス化狭帯域ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置の原理を説明するための波形図である。
【図２】本発明を適用するＡｒＦエキシマレーザ装置の一例のレーザ発振方向に垂直な断面図である。
【図３】本発明に基づく一例の励起回路を示す回路図である。
【図４】図３の励起回路の各コンデンサ位置に生じる電圧波形の一例を示す図である。
【図５】ブレークダウン電圧までの立上り時間に対するレーザパルス幅とレーザ出力エネルギーの関係を調べた結果を示す図である。
【図６】立上り時間の定義を説明するための図である。
【図７】本発明に基づく１実施例の放電電極間電圧と放電電極間に流れる電流とレーザ出力光波形とを示す図である。
【図８】従来のエキシマレーザ装置における放電電流とレーザ光強度を示す図である。
【図９】従来のロングパルス化のためのエキシマレーザ装置の励起回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１…レーザキャビティ
２…レーザガス
２’…レーザガス流
３、４…主放電電極
６…紫外線
１０…コロナ予備電離部
１１…コロナ予備電離部第１電極
１２…誘電体チューブ
１３…コロナ予備電離部第２電極
１３’…エッヂ
ＳＬ０…固体スイッチ保護用磁気スイッチ
ＳＬ１…第１の磁気スイッチ
ＳＬ２…第２の磁気スイッチ
ＨＶ…高電圧電源
Ｌ１…インダクタンス
ＳＷ…固体スイッチ
Ｃ０…主コンデンサ
Ｃ１…第１のコンデンサ
Ｃ２…第２のコンデンサ
Ｃｐ…ピーキングコンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線を放出するガスレーザ装置に関し、特に、ＡｒＦエキシマレーザ装置において、レーザ発振パルス幅の長いレーザ動作を行うガスレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の投影露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められており、次世代の半導体露光用光源として、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ装置及び波長１５７ｎｍのフッ素レーザ装置等の紫外線を放出するガスレーザ装置が有力である。
【０００３】
ＡｒＦエキシマレーザ装置においては、フッ素（Ｆ２ ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス及びバッファーガスとしてのネオン（Ｎｅ）等の希ガスからなる混合ガス、あるいは、フッ素レーザ装置においては、フッ素（Ｆ２ ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスであるレーザガスが数百ｋＰａで封入されたレーザチェンバの内部で放電を発生させることにより、レーザ媒質であるレーザガスが励起される。
【０００４】
これらのガスレーザ装置は、発振パルス幅（Ｔｉｓ）が長くても２０ｎｓ程度であるため、出力光のピークパワーが大きく、また、短波長であることから光子エネルギーが高いという特徴がある。そのため、従来の露光用光源である水銀ランプやＫｒＦエキシマレーザ装置より２光子吸収の発生確率が大きく、投影露光装置の光学素子にコンパクション（屈折率上昇）等のダメージが発生し、投影露光装置の性能低下を招くという問題が生じる。ここで、発振パルス幅（Ｔｉｓ）は以下の式で定義される。ただし、Ｐ（ｔ）は時間ｔに依存したレーザ強度である。
【０００５】
Ｔｉｓ＝［∫Ｐ（ｔ）ｄｔ］２ ／∫Ｐ２ （ｔ）ｄｔ
したがって、上記ような問題を回避するために、１パルスのエネルギーを変えずに、発振パルス幅を長く（ロングパルス化）して、出力光のピークパワーを低減することが求められており、例えば、３０ｎｓ以上のパルス幅が求められている。
【０００６】
このようなガスレーザ装置のロングパルス化を実現するための励起回路については、現在まで特別の提案はない。しかしながら、レーザ媒質の異なるエキシマレーザ装置のロングパルス化については、従来いくつかの提案がなされている。
【０００７】
一般に、エキシマレーザ装置においては、主電極間を流れる放電電流は振動電流であり、図８に波形図を示すように、振動電流の最初の１／２周期がレーザ発振に寄与することが知られている（前田三男編「エキシマレーザー」第６４頁（（株）学会出版センター１９８３年８月２０日初版））。
【０００８】
従来の技術は、ロングパルス化のために、上記した最初の１／２周期のパルス幅を広げることを意図している。例えば、特開昭６２−２６８３号においては、図９に示すように、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置の励起回路において、主放電電極の一方にインダクタンスＬａ を付加する例が開示されている。また、「レーザ研究」第１５巻第７号第６３〜７２頁には、ＸｅＣｌエキシマレーザ装置の励起回路において、ＰＦＮ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｎｅｔｗｏｒｋ ）回路を適用する例が示されている。
【０００９】
ＡｒＦエキシマレーザ装置やフッ素レーザ装置においても、上記従来の技術を適用すれば、レーザ装置から放出される発振パルスレーザ光のロングパルス化を実現することが可能であると考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
昨今、半導体製造用の露光処理のスループット向上の見地から、露光用エキシマレーザ装置には２ｋＨｚ以上の高繰返し発振動作が要請され始めている。図９に示すように、主放電回路にインダクタンスが付加されている従来の技術においては、このような高繰返し発振動作でロングパルス化を実現しようとすると、レーザ発振効率が極めて悪くなり、実際上実現することは困難である。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高繰返し発振動作のＡｒＦエキシマレーザ装置において、発振パルス幅をロングパルス化することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置は、レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とピーキングコンデンサとを有し、前記レーザ放電電極と前記ピーキングコンデンサとが並列に磁気パルス圧縮回路の出力端に接続されたＡｒＦエキシマレーザ装置において、
極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成され、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上で、発振パルス幅３０ｎｓ以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
この場合、その磁気パルス圧縮回路は、第１の磁気スイッチと第１のコンデンサからなる直列回路の両端に第２のコンデンサが接続され、第１の磁気スイッチと第２のコンデンサとの接続点に第２の磁気スイッチの一端が接続され、第２の磁気スイッチの他端と第２のコンデンサの他端とが上記の出力端を構成しており、第２のコンデンサの容量が１２〜１６ｎＦ、上記の出力端間に一対のレーザ放電電極と並列に接続されたレーザ装置のピーキングコンデンサの容量が１０〜１６ｎＦ、ピーキングコンデンサと一対のレーザ放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが５〜８ｎＨ、一対のレーザ放電電極間距離が１５〜２０ｍｍ、レーザチェンバー内のフッ素分圧がレーザガスの全圧の０．１２％未満であるとき、一対のレーザ放電電極間に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が８０ｎｓ以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、一対のレーザ放電電極間にブレークダウンが発生するときの電圧が１８〜２８ｋＶであり、その電圧の立ち上がり時間が４０ｎｓ以上であることが望ましい。
【００１６】
以上のように、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成することにより、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上、発振パルス幅３０ｎｓ以上の高繰返しロングパルス化ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理とその実施例について、図面に基づいて説明する。
【００１８】
本発明者等は、従来とは全く異なったアプローチをとることにより、ＡｒＦエキシマレーザ装置の高繰返しロングパルス化を実現することに成功した。まず、以下にその原理を説明する。
【００１９】
発明者等は、鋭意検討した結果、放電電極間を流れる振動電流の周期を短くし、かつ、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定めることにより、ロングパルス化を実現することが可能であることを見出した。
【００２０】
すなわち、上記したように、従来は、振動電流の最初の１／２周期のみがレーザ発振に寄与すると考えられ、実際、振動電流の最初の１／２周期以降の期間においてはレーザ発振動作を行っていなかったが、図１に波形図を示すように、放電電極間を流れる振動電流の周期を短くし、かつ、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定めることにより（具体的な回路構成、回路定数は後述する。）、振動電流の最初の１／２周期とそれに続く少なくとも１つの１／２周期においても、レーザガスの励起を行わせて、レーザ発振動作を持続させることによりロングパルス化が可能となった。
【００２１】
以下、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置とその励起回路の具体例を示す。
【００２２】
図２はＡｒＦエキシマレーザ装置のレーザ発振方向に垂直な断面図であり、レーザキャビティ１内にレーザガス２（ＡｒガスとＦ２ ガスとＮｅガスの混合ガス）が満たされており、そのレーザガス２を励起するための主放電電極３と４がレーザ発振方向に垂直な方向に対向配置されている。この対向する主放電電極３、４間にガス流２’を形成するように不図示のファンによりレーザガス２が循環されている。一方の主放電電極４に沿って平行にレーザガス２の流れ２’の上流と下流にコロナ予備電離部１０が配置されており、主放電電極３、４間に主放電を起こすパルス電圧が加わる直前にコロナ放電動作をして、紫外線６を主放電電極３、４間のレーザガス２に照射して弱電離させ、主放電電極３、４による励起を促進させる。
【００２３】
この例において、コロナ予備電離部１０は、第１電極１１が高純度アルミナセラミックス等の誘電体物質製の片側開放のチューブ１２内に円柱状電極を挿入して構成され、第２電極１３が矩形の板状体電極から構成され、第２電極１３の板状体はその１つの直線状のエッヂ１３’近傍で屈曲されており、そのエッヂ１３’において第１電極１１の誘電体チューブ１２の外面に平行に線接触している。そして、第２電極１３は、矩形の板状体の少なくともエッヂ１３’以外の部分に複数の開口を設けてなるものである。また、第２電極１３のエッヂ１３’の第１電極１１周辺の誘電体チューブ１２の外面への接触位置は、主放電電極３と４の間のレーザ励起空間を見込むことができる位置に設定されている。
【００２４】
このようなＡｒＦエキシマレーザ装置の主放電電極３と４の間に図３に示すような励起回路により主放電電圧が、また、コロナ予備電離部１０の電極１１と１３の間に予備放電電圧が印加される。
【００２５】
図３の励起回路は、可飽和リアクトルからなる３個の磁気スイッチＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２を用いた２段の磁気パルス圧縮回路からなる。磁気スイッチＳＬ０は固体スイッチＳＷ保護用のものであり、第１の磁気スイッチＳＬ１と第２の磁気スイッチＳＬ２により２段の磁気パルス圧縮回路を構成している。
【００２６】
図３に従って回路の構成と動作を以下に説明する。まず、高電圧電源ＨＶの電圧が所定の値に調整され、磁気スイッチＳＬ０、インダクタンスＬ１を介して主コンデンサＣ０が充電される。このとき、固体スイッチＳＷはオフになっている。主コンデンサＣ０の充電が完了し、固体スイッチＳＷがオンとなったとき、固体スイッチＳＷ両端にかかる電圧は磁気スイッチＳＬ０の両端にかかるよう移り、固体スイッチＳＷを保護する。磁気スイッチＳＬ０の両端にかかる主コンデンサＣ０の充電電圧Ｖ０の時間積分値が磁気スイッチＳＬ０の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ０が飽和して磁気スイッチが入り、主コンデンサＣ０、磁気スイッチＳＬ０、固体スイッチＳＷ、コンデンサＣ１のループに電流が流れ、主コンデンサＣ０に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ１に充電される。
【００２７】
この後、コンデンサＣ１における電圧Ｖ１の時間積分値が磁気スイッチＳＬ１の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ１が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が移行してコンデンサＣ２に充電される。
【００２８】
さらにこの後、コンデンサＣ２における電圧Ｖ２の時間積分値が磁気スイッチＳＬ２の特性で決まる限界値に達すると、磁気スイッチＳＬ２が飽和して磁気スイッチが入り、コンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐ、磁気スイッチＳＬ２のループに電流が流れ、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が移行してピーキングコンデンサＣｐが充電される。
【００２９】
図２の説明から明らかなように、予備電離のためのコロナ放電は、誘電体チューブ１２と第２電極１３とが接触している個所を基点として誘電体チューブ１２の外周面に発生するが、図３のピーキングコンデンサＣｐの充電が進むにつれてその電圧Ｖ３が上昇し、Ｖ３が所定の電圧になるとコロナ予備電離部の誘電体チューブ１２表面にコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって誘電体チューブ１２の表面に紫外線６が発生し、主放電電極３、４間のレーザ媒質であるレーザガス２が予備電離される。
【００３０】
ピーキングコンデンサＣｐの充電がさらに進むにつれて、ピーキングコンデンサＣｐの電圧Ｖ３が上昇し、この電圧Ｖ３がある値（ブレークダウン電圧）Ｖｂに達すると、主放電電極３、４間のレーザガス２が絶縁破壊されて主放電が開始し、この主放電によりレーザ媒質が励起され、レーザ光が発生する。
【００３１】
この後、主放電によりピーキングコンデンサＣｐの電圧が急速に低下し、やがて充電開始前の状態に戻る。
【００３２】
このような放電動作が固体スイッチＳＷのスイッチング動作によって繰り返し行なわれることにより、所定の繰り返し周波数でのパルスレーザ発振が行われる。
【００３３】
ここで、磁気スイッチＳＬ１、ＳＬ２及びコンデンサＣ１、Ｃ２で構成される各段の容量移行型回路のインダクタンスを後段に行くにつれて小さくなるように設定することにより、各段を流れる電流パルスのパルス幅が順次狭くなるようなパルス圧縮動作が行われ、主放電電極３、４間に短パルスの強い放電が実現される。
【００３４】
図４に上記のような励起回路のコンデンサＣ１、Ｃ２、ピーキングコンデンサＣｐの位置に生じる電圧波形の一例を示す。図４からパルス幅が順次圧縮されて行く様子が良く分かる。
【００３５】
ところで、半導体露光用の光源としてのＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、露光に必要なレーザ出力エネルギーからそれに必要な放電体積が自ずから決まり、その放電体積から主放電電極３、４間の間隔も１５〜２０ｍｍ程度ある必要がある。また、そのレーザ出力エネルギーはピーキングコンデンサＣｐの容量で決まるので、半導体露光用の光源として必要なピーキングコンデンサＣｐの容量は１０〜１６ｎＦである。
【００３６】
ここで、上記したように、本発明に基づいて、主放電電極３、４間を流れる振動電流の最初の１／２周期以降においても、レーザ発振を持続させるためには、まず、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定める必要がある。電流のピーク値を大きくするには、主放電電極３、４間で放電が開始する電圧（ブレークダウン電圧）Ｖｂが主放電電極３、４間に加えられる電圧の立ち上がりに依存し、立上り時間が高速である場合に放電開始電圧Ｖｂが高くなる（過電圧の発生）ので、その印加電圧を急激に上昇するようにする必要がある。ピーキングコンデンサＣｐに対する第２のコンデンサＣ２の容量が大きければ大きい程その電圧の立ち上がりは急激になり望ましいが、一方で、第２のコンデンサＣ２の容量を大きくすればする程、レーザ装置全体を駆動のために必要なエネルギーが大きくなり、レーザ装置の効率が低下してしまうので、第２のコンデンサＣ２の容量には限界があり、半導体露光用の光源としてのＡｒＦエキシマレーザ装置の場合、１２〜１６ｎＦに設定される。
【００３７】
また、主放電電極３、４間を流れる振動電流の２番目以降の１／２周期の電流のピーク値を大きくして２番目以降の１／２周期においてもレーザ発振を行わせるには、レーザガス２の電気抵抗を小さくする必要がある。ＡｒＦにおいては、Ａｒ＋Ｆ２ ＋Ｎｅからなる３〜４気圧のレーザガスを用いる場合に、フッ素分圧が小さい程抵抗が小さくなるので、レーザガスの全圧に対するフッ素分圧を０．１２％未満にすることが望ましい。
【００３８】
また、前記のように、主放電電極３、４間を流れる振動電流の最初の１／２周期以降の周期を短くすることが、２番目以降の１／２周期においてもレーザ発振を持続させるため必要な条件である。この周期が長いと、１つの１／２周期の後半において放電の空間的な集中が発生して必要な均一な励起が効率良く行われなくなるからである。２番目以降の１／２周期の周期を決めるパラメータは、図３の励起回路のピーキングコンデンサＣｐと主放電電極３、４が形成するループ（放電電流回路）中の容量と浮遊インダクタンスであり、両者の積のルートがその周期に比例する。したがって、その周期を短くするには、上記放電電流回路の浮遊インダクタンスを可能な限り小さくすればよい。しかし、この浮遊インダクタンスの大きさはレーザキャビティの断面積で決まるから、実際上５〜８ｎＨ程度より小さくできない。
【００３９】
以上のようなパラメータ範囲に選んだ条件下で、放電体積を放電幅５〜８ｍｍ×電極間距離１５〜２０ｍｍ、長さ４５０〜５５０ｍｍとして、ブレークダウン電圧Ｖｂまでの立上り時間に対する出力レーザパルス幅（Ｔｉｓ）と出力エネルギーの関係を調べたところ、図５のような結果が得られた。なお、ブレークダウン電圧Ｖｂまでの立上り時間の定義は、図６に示すように、主放電電極３、４間に印加される電圧Ｖ３の最初の１／２周期の立ち上がり部の最も急峻になる部分を直線近似し、その直線が電圧０の直線と交差する点からブレークダウン電圧Ｖｂに至る点までの時間である。
【００４０】
図５の結果より、立上り時間が４０ｎｓより小さいとレーザ光出力が低下し、所望の出力が得られなかった。また、立上り時間が８０ｎｓより大きい場合、出力するレーザ光パルス幅が減少し、所望のパルス幅を得ることができなかった。
【００４１】
このように、立上り時間が４０ｎｓより小さい場合にレーザ光出力が低下するのは、コロナ予備電離が開始してから主放電が開始するまでの遅延時間が確保できないためと考えられる（コロナ予備電離は、主放電電極３、４間に加わるパルス電圧Ｖ３を分圧して得た電圧をコロナ予備電離部１０に印加することによって行っている。）。すなわち、立上り時間が短すぎ、レーザガスが十分に予備電離されないまま主放電が開始するため、レーザガスの励起が不十分なためにレーザ出力が低下したものと考えられる。
【００４２】
一方、立上り時間が８０ｎｓより大きい場合は立上り時間が長すぎ、ブレークダウン電圧Ｖｂの到達値が小さいために、第２の１／２周期分で発振せず、パルス幅が短くなったと考えられる。
【００４３】
一般に、立上り時間が高速である場合には、放電開始電圧Ｖｂが高くなり（過電圧の発生）、また、レーザ媒質の励起エネルギーである放電入力（１／２×ＣｐＶｂ２ ）が大きくなるので、発振効率が上昇する。立上り時間が８０ｎｓより大きい場合は、放電開始電圧Ｖｂが高くならず、放電が不安定になりやすく、また、放電入力が小さく、発振効率が低くなったため、図１に示す電流波形において、最初の１／２周期以降の期間において最早レーザ発振に寄与できなくなり、そのため発振パルス幅が減少したものと考えられる。
【００４４】
以上の検討において、立上り時間４０ｎｓから８０ｎｓにおいて必要とされる放電開始電圧Ｖｂは１８〜２８ｋＶであった。
【００４５】
なお、上記の立上り時間の調整には、第２のコンデンサＣ２、ピーキングコンデンサＣｐの容量、第２の磁気スイッチＳＬ２の残留インダクタンス、ピーキングコンデンサＣｐの充電電流回路中の浮遊インダクタンスを調整して実現した。
【００４６】
図７に、一例として、第２のコンデンサＣ２の容量１４ｎＦ、ピーキングコンデンサＣｐの容量１２ｎＦ、放電電流回路の浮遊インダクタンス６ｎＨ、放電電極間距離１８ｍｍ、放電開始電圧２６ｋＶ、フッ素分圧０．０８％、有効放電長５００ｍとした場合の、放電電極間電圧と、放電電極間に流れる電流と、レーザ出力光波形とを示す。
【００４７】
このように、本発明に基づいて、従来とは全く異なる新規な考え方に基づき、以上のような構成をとることにより、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上、パルス幅（Ｔｉｓ）３０ｎｓ以上の高繰返しロングパルス化ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することに成功した。
【００４８】
以上は、ＡｒＦエキシマレーザ装置について説明してきたが、上記の基本原理は、フッ素（Ｆ２ ）ガス及びバッファーガスとしてヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスからなる混合ガスをレーザガスとして、同様に放電励起するフッ素レーザ装置にも適用できることは明らかである。
【００４９】
以上、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置によると、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成することにより、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上、発振パルス幅３０ｎｓ以上の特に半導体露光用光源に適した高繰返しロングパルス化狭帯域ＡｒＦエキシマレーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡｒＦエキシマレーザ装置の原理を説明するための波形図である。
【図２】本発明を適用するＡｒＦエキシマレーザ装置の一例のレーザ発振方向に垂直な断面図である。
【図３】本発明に基づく一例の励起回路を示す回路図である。
【図４】図３の励起回路の各コンデンサ位置に生じる電圧波形の一例を示す図である。
【図５】ブレークダウン電圧までの立上り時間に対するレーザパルス幅とレーザ出力エネルギーの関係を調べた結果を示す図である。
【図６】立上り時間の定義を説明するための図である。
【図７】本発明に基づく１実施例の放電電極間電圧と放電電極間に流れる電流とレーザ出力光波形とを示す図である。
【図８】従来のエキシマレーザ装置における放電電流とレーザ光強度を示す図である。
【図９】従来のロングパルス化のためのエキシマレーザ装置の励起回路を示す回路図である。
【符号の説明】
１…レーザキャビティ
２…レーザガス
２’…レーザガス流
３、４…主放電電極
６…紫外線
１０…コロナ予備電離部
１１…コロナ予備電離部第１電極
１２…誘電体チューブ
１３…コロナ予備電離部第２電極
１３’…エッヂ
ＳＬ０…固体スイッチ保護用磁気スイッチ
ＳＬ１…第１の磁気スイッチ
ＳＬ２…第２の磁気スイッチ
ＨＶ…高電圧電源
Ｌ１…インダクタンス
ＳＷ…固体スイッチ
Ｃ０…主コンデンサ
Ｃ１…第１のコンデンサ
Ｃ２…第２のコンデンサ
Ｃｐ…ピーキングコンデンサ
Claims (3)
- レーザチェンバー内に配置された一対のレーザ放電電極とピーキングコンデンサとを有し、前記レーザ放電電極と前記ピーキングコンデンサとが並列に磁気パルス圧縮回路の出力端に接続されたＡｒＦエキシマレーザ装置において、
極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも２つの半周期によってレーザ発振動作をするように構成され、繰り返し周波数２ｋＨｚ以上で、発振パルス幅３０ｎｓ以上であることを特徴とするＡｒＦエキシマレーザ装置。 - 前記磁気パルス圧縮回路は、第１の磁気スイッチと第１のコンデンサからなる直列回路の両端に第２のコンデンサが接続され、前記第１の磁気スイッチと前記第２のコンデンサとの接続点に第２の磁気スイッチの一端が接続され、前記第２の磁気スイッチの他端と前記第２のコンデンサの他端とが前記の出力端を構成しており、
前記第２のコンデンサの容量が１２〜１６ｎＦ、前記出力端間に前記一対のレーザ放電電極と並列に接続されたレーザ装置のピーキングコンデンサの容量が１０〜１６ｎＦ、前記ピーキングコンデンサと前記一対のレーザ放電電極とが形成する回路ループのインダクタンスが５〜８ｎＨ、前記一対のレーザ放電電極間距離が１５〜２０ｍｍ、前記レーザチェンバー内のフッ素分圧がレーザガスの全圧の０．１２％未満であるとき、
前記一対のレーザ放電電極間に印加される電圧のブレークダウンが発生するまでの立ち上がり時間が８０ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。 - 前記一対のレーザ放電電極間にブレークダウンが発生するときの電圧が１８〜２８ｋＶであり、前記電圧の立ち上がり時間が４０ｎｓ以上であることを特徴とする請求項２記載のＡｒＦエキシマレーザ装置。
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